十字形型钢混凝土异形柱抗火性能试验研究
发布时间：2019-01-06 点击：
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第1章 绪论
1.1研究的背景、意义和目的
1.1.1研究的背景
随着人们生活水平的提高，住房条件得到了很大的改善，人们在追求舒适的同时也愈发注重结构的美观和多样性。通常建筑物中的矩形截面柱在布置的时候会出现室内的棱角，不仅影响美观，而且减小了使用面积。在现如今的商品房时代，为了弥补矩形柱子的不足，满足人们的需求，也为了落实国家墙体改革政策，天津市从上世纪 70 年代就开始在住宅结构中运用异形柱框架结构体系。
起初，提出异形柱的基本构想是：采用以工业废料制作的、具有节能、节地、隔热、保温、环保、减轻自重等综合效益的墙体材料作为框架的填充墙，从而取代了烧制的黏土砖；与此同时，采用藏于墙内的柱子——异形柱来代替普通矩形柱子，改善室内空间效果的同时也提高了建筑布置的灵活性。自 1988 年起经历了三年三大步的可持续发展，逐步在天津及全国各省市住宅中推广了异形柱框架结构体系。在 1998 年，建设部发布《关于建设业进一步推广应用 10 项新技术的通知》里，提出了发展框架轻墙建筑体系，并且积极采用异形柱框架结构。1999 年国务院办公厅 72 号文件——《关于推进住宅产业现代化提高住宅质量若干意见的通知》的“加强新型结构技术的开发研究”专题中，将异形柱框架结构体系列为住宅建设的五种基本结构体系之一。同年，建设部国家发展计划委员会、科学技术部联合颁发《当前优先发展的新技术产业化重点领域指南》的“新型建筑体系”专题里，隐形框架轻型节能建筑体系被列为近期产业化的重点之一。随后，由天津大学土木工程系、天津新型建材建筑设计研究院完成的“大开间住宅钢筋混凝土异形柱框架结构技术”被建设部列为《1999 年科技成果重点推广项目》之一。2001 年，异形柱结构体系被列入国家“九五”重点科技攻关项目成果《小康住宅建筑结构体系技术指南》[1]。
在一些国家级住宅示范工程中，有很多采用异形柱结构的住宅，例如天津华苑碧华里、居华里等示范小区。目前，异形柱在国内建成的总量难以掌握准确数字，保守粗估已有 2000 万 m2左右，可见混凝土异形柱结构在国内已有了相当规模的应用。随着异形柱结构在全国各地的应用，需要有一定的工程技术标准来指导设计、施工、审查和监理。1995 年，广东最早推出此标准，但是并不全面；随后，1998 年天津则从异形柱构件的截面设计、构造到设计施工都做了全面规定，初步形成了异形柱结构技术规程的基本体系。
异形柱结构是以 L 形、T 形、十字形的异形截面柱代替了一般的框架柱竖向支撑构件而形成的结构。异形柱截面肢高一般不小于 500mm，各肢截面最小厚度在200~300mm 之间，截面肢高肢厚比(h/b)不大于 4。常见的异形柱有以下几种主要形式，见图 1-1，其中 L 形柱常用于角柱，T 形柱常用于边柱，十字形柱常用于中柱。包含异形柱的结构体系主要包括以下几种形式：异形柱框架结构、异形柱框架剪力墙结构、异形柱框—桁架结构和异形柱框架—筒体结构等。试验研究表明，与传统的矩形截面柱及砖混结构相比，异形柱框架结构体系具有下述优点：
(1) 提高了有效面积比。异形柱的肢宽与墙厚相等或者稍宽一些，所以没有矩形柱的柱角外露以占去面积的缺点，与一般框架结构相比，这种结构虽然造价会相应提高，但是却可将使用面积增加 5%~10%左右；又因为采用的轻质填充墙，与砖混结构相较，墙体减薄，可以增加 8%~10%的使用面积。
(2) 房间的使用质量提高。由于室内空间整齐，家具摆放容易，对于住户而言，使用起来就很方便。同时采用全框架结构，实现大开间住宅，因此可以获得较大空间，而且用户可以随心所欲的拆除或者移动轻质填充墙体，进而极大限度满足个性化要求，实现建筑多功能的特点。
(3) 异形柱结构体系很大程度上降低了结构自重。在刚度相同的情况下，通常异形柱的柱截面面积小于矩形柱的截面面积，使柱子的自重减轻。与此同时，对板梁等构件也专门考虑了减轻自重的措施，填充墙采用轻质材料，所以异形柱结构的自重能够降低到普通结构的 57%~60%左右。
根据几个实践设计项目材料的统计[2]，异形柱结构体系较矩形柱结构体系材料用量指标稍大一些，混凝土用量约增加 4%~6%，钢筋用量约增加 5%~9%。虽然异形柱结构的材料指标和工程造价比矩形柱结构稍高一些，但综合考虑到建筑使用功能的改善，受到住户和开发商的欢迎，仍具有其优越性。
异形柱虽具有许多优点，但与普通矩形柱子相比，异形柱的受火表面积比较大，因而型钢混凝土异形柱在火灾下的承载能力及力学性能日渐成为人们的研究对象。火灾在各种灾害中是最经常、最普遍的危害公众安全和阻碍社会发展的灾害之一，人类可以对火进行控制和利用，是文明进步的一个重要标志；火给人类带来光明、温暖和进步，但是失去控制的火会给人类带来灾难，所以人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史是相生相伴的。人类在使用火的同时，不断总结规律，尽可能的减少火灾对人类形成的危害。在古代，人们对火灾就总结出了“防为上，救次之，戒为下”的经验。随着社会的发展，在社会财富日益增多的同时，火灾发生的概率也急剧上升，危害性也越来越大。表 1-1 列出了近年来火灾主要事故案例。
火灾损失统计表明：发生次数最多、损失最为严重的当属火灾[3]。我国 70 年代火灾的平均损失不到 2.5 亿元，80 年代火灾的平均损失不到 3.2 亿元，进入 90年代后，火灾造成的财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡 2000 人左右。火灾有可能导致结构的倒塌，造成巨额的损失和灾难性的后果。如 1993 年 5 月 13 日江西省南昌市万寿宫商城一幢八层钢筋混凝土底框-砖混结构房屋在火灾中整体倒塌，倒塌面积达 12647m2，123 户居民、603 人、209 个集体和个体商业户受灾；1994 年 6 月 16 日广东省珠海市前山纺织城 A 座一厂房发生火灾，22 个小时以后厂房突然倒塌，造成 93 人死亡、156 人受伤，造成的直接经济损失 9500 万元；2001年 9 月 11 日的美国 9.11 事件，超高层建筑轰然倒塌，其伤亡人数过万；2003 年11 月 3 日湖南省衡阳珠晖区衡州的特大火灾，3 个多小时后，这幢 8 层的高楼突然倒塌，20 多名参加救援的消防队员被掩埋在废墟中殉职，16 人受伤。由此可见，对结构的耐火性能的研究是完全有必要的。
1.1.2研究意义
随着钢筋混凝土异形柱框架的推广，这类结构遭受火灾的可能性不断上升，进而使异形柱框架的耐火性能的研究凸显的格外重要。目前，国内外有关异形柱耐火方面的研究几乎还是只限于构件层次[4,5]，而型钢混凝土异形柱的耐火研究更是少之又少，因此，开展型钢混凝土异形柱的耐火性能研究，揭示其火灾下的力学行为是十分必要的。
实验证明，普通混凝土在高温 500℃作用后其抗压强度损失较为严重，只占其常温时抗压强度的 50%左右。钢筋混凝土异形柱在受火时，由于其截面的特点，受火面要比同面积的矩形截面要大，温度大于 500℃而损伤严重的区域也要大很多。研究得出：升温 180min 时，肢厚为 200mm，肢高为 500mm 的 L 形钢筋混凝土柱、T 形钢筋混凝土柱、十字形钢筋混凝土柱和 400mm×400mm 的方形钢筋混凝土柱的温度大于 500℃区域占全截面的面积比例分别为 78.7%、74.3%、67.6%和51.5%，可以看出钢筋混凝土异形柱截面在高温下损伤更为严重[5]。本文的研究填补了型钢混凝土异形柱耐火性能研究的空白，并且拓展了结构抗火的研究领域，所以本文的研究既有重要的理论意义，又有明确的工程应用前景。
1.2国内外研究现状
钢筋混凝土异形柱因其截面的不规则性与矩形柱有明显不同的截面特性及受力性能，近些年异形柱的研究主要集中在钢筋混凝土异形柱常温下力学性能的研究、钢筋混凝土异形柱高温下力学性能的研究、钢骨混凝土异形柱常温下力学性能的研究和钢骨混凝土柱高温下的研究。
1.2.1钢筋混凝土异形柱常温下力学性能研究
对于钢筋混凝土异形柱在常温下的力学性能的研究，国内外均有多年历史。各学者分别从钢筋混凝土异形柱正截面承载力、斜截面承载力、抗扭承载力和抗震性能等方面进行研究。国外对异形柱的研究主要有：1983 年印度著名学者L.Nramamurthy 和 T.A.Hafeez.Kham 对等肢和不等肢 L 形截面双向偏压柱进行理论分析以及试验研究。1985 年美国学者 M.Davister、1992 年土耳其学者 C.Dundar 和B.Sahin 分别对不规则双向偏压柱进行了理论研究[7]；1989 年—1992 年美国著名学者 Cheng-Tzu Thomas Hsu 对 L 形柱和 T 形双向偏压柱分别进行了全过程的分析[8]等。国内的研究成果主要有：
(1) 钢筋混凝土异形柱常温下正截面承载力研究
天津大学对 T 形、L 形和十字形钢筋混凝土异形柱进行了一系列的试验研究，由于其正截面承载力复杂，在大多数情况下均为不对称截面，所以截面为平截面外弯曲，即弯矩作用平面与弯矩平面不重合，也不与截面边缘平行。其位置伴随混凝土强度等级、截面尺寸、配筋、加载角等诸多因素的变化而变化，其中，加载角对截面承载力的影响较大[9]。破坏形态与矩形截面单向的压弯构件类似，也可以分为受压、受拉和界限破坏[10,11]。在外力的作用下，异形柱一般会发生双向弯曲，因此应该按双向偏压构件计算。
张杜、叶献国[12]对钢筋混凝土异形柱进行了全过程的非线性分析，发现异形柱截面双向压弯柱的截面曲率的延性随着轴压比的增大而减小，随着荷载角的变化而变化，而且差异较大。箍筋的间距对异形柱的延性影响比较大，减小箍筋的间距，会使其延性明显提高。
郭棣和吴敏哲[13]考虑到实际结构楼板平面内其刚度是无穷大的，L 形柱的柱顶会受到楼板的定向约束的作用，因此认为 L 形柱在真正模拟实际约束状态的拟静力试验中应该为单向偏压破坏。
田秀梅和史玉延[14]、张玉秋和陈云霞[15]、王依群等[16]、王丹[17]分别给出了异形柱正截面承载力的简化的计算方法。
吴敏哲[18]等对 L 形柱正截面受力性能进行了一系列的研究，指出 L 形柱是截面不对称的空间杆件，不能在两个主平面内分开考虑，在结构分析中无法用对称截面的矩形柱来等效，L 形截面柱扭转截面的中心轴平行于工程轴。
曹万林等[19]提出了考虑了在混凝土“应力-应变”关系下降段和纵筋锚固滑移影响下的钢筋混凝土异形柱非线性变形的计算方法，利用该方法计算的“M-j ”的曲线与试验的结果吻合的较好。
天津大学通过设计 11 根 T 形、6 根 L 形以及 8 根十字形钢筋混凝土双向受弯构件，并对其正截面的承载能力进行了试验研究和理论分析，讨论了双向受弯构件的正截面承载能力的影响因素和计算承载能力的方法，并且编写了用于配筋计算的电算程序，随后在试验研究和理论分析的基础上提出了简化的计算方法。另外，天津大学还对钢筋混凝土异形柱双向弯压柱延性性能、在单周、低周反复荷载作用下的框架柱的受剪性能、框架节点强度和双向拉弯的正截面承载能力等方面进行了研究。
中国建筑科学研究院进行了 18 根 L 形偏心受压柱的强度试验，并对其结果进行了统计和分析，给出了实用计算的公式，但是由于实验数据少，难免有局限性。
在 1992 年—1994 年间，河北工业大学[1]先后进行了 L 形、十字形和 T 形钢筋混凝土柱抗震性能的试验研究，在其压弯实验中，水平力的作用方向除了与异形柱工程轴的方向一致外，而且采用了与工程轴成 45°作用的水平力的加载方式，为进行不同方向水平地震作用下钢筋混凝土异形柱的抗震性能研究初步奠定了基础。
广东省的《广东混凝土异形柱设计规程》[1]在设计异形柱时，先将双向偏心弯矩近似化为作用在对称轴上的等量弯矩，以此计算异形柱的正面承载能力，然后查表计算。这是一种近似方法，并且使用的范围有限。规程里只列出了几种常用的截面类型以及混凝土强度等级下的计算图表，且只适用 L 形和 T 形截面，对其他截面不适用。
天津大学通过试验[1]得出了 T 形、L 形和十字形截面钢筋混凝土双向压弯构件正截面承载能力的变化规律，并且在此基础上根据平截面假定、混凝土和钢筋的本构模型和力的平衡条件，利用数值方法编制了关于双向异形压弯柱正截面承载力的计算程序——《大开间住宅钢筋混凝土异形柱框架结构技术规程》。通过对正截面承载力计算而得到的 N-M 相关曲线制成图表，利用图表查出配筋或进行计算，适用于等肢的异形柱截面，仍然没有对不等肢截面做出规定。鉴于数值积分方法计算正截面承载力较为麻烦，所以不少科研人员也相继提出了简化计算的方法。与此同时，很多科研人员针对当前工程设计软件在异形柱设计方面不完善，也考虑到广东和天津规程标准的不足，对原有的计算软件进行了改进，文献[1]采用有限元的数值积分开发了异形柱正截面配筋的计算软件，并且将其推广到不等肢的异形柱，使计算更简便，通用性更强。
(2) 钢筋混凝土异形柱常温下斜截面承载力研究
在对钢筋混凝土异形柱的斜截面承载力研究中发现：L 形、T 形和十字形柱在斜向水平荷载的作用下，利用其翼缘的有利作用，其受剪承载力的平面图形在各个象限呈现出外凸的梅花瓣的形状；如果在斜向的剪力作用下，按 Z、Y 两个方向分别满足配筋要求、并且不考虑垂直方向的翼缘作用时，异形柱的斜向承载力将满足要求[20,21]。
冯建平等[22]进行了 15 根 L 形钢筋混凝土柱的受剪试验，并根据试验的结果给出了适用于工程设计使用的 L 形钢筋混凝土柱受剪承载力的计算公式。
郑明星和唐家祥[23]采用有限元的方法分析了在水平剪力的作用下，柱由于其自身的附加扭转效应而产生的水平剪应力，分析表明：L 形柱在双向水平力的作用下扭转效应明显，内折角伴有明显的应力集中的现象。
唐古贻和龚长江[24]通过试验分析了斜向水平荷载、低周反复荷载和弯矩比对 L形和 T 形柱受剪性能的影响，并提出了斜截面受剪承载力计算公式。通过分析，认为 L 形柱由于截面非对称性会产生附加的扭矩，加速粘结破坏的发展，所以其受剪承载力比 T 形柱要小。
赵彤[24]等进行了 9 根高强混凝土 L 形柱的抗剪性能的试验，建议了这类构件的抗剪承载力的设计公式。
王丹等[25]等进行了 L 形、T 形和十字形柱的受剪承载力的试验研究，给出了可供实际使用的偏下限抗剪承载力公式。
吴建营、李杰[26]针对具有剪切破坏特征的异形柱的试验现象，提出了一种抗剪全过程分析计算的模型。在这个模型中，将异形柱的总变形分为两个部分——剪切变形和弯曲变形，并分别用软化桁架模型和截面网格模型进行计算，将计算得到的剪切变形和弯曲变形叠加即为构件的总变形；而软化桁架模型分析结果给出了构件抗剪强度及剪切应力的变化过程，由此可以得到构件的荷载—位移的全过程曲线。该模型的计算结果和试验结果吻合较好，由于弯曲变形的引入，该模型可以解决 L 形截面等不对称截面在低周反复荷载作用下滞回曲线显著不对称的一些问题。
(3) 钢筋混凝土异形柱常温下抗扭承载力研究
在对钢筋混凝土异形柱的斜截面的抗扭承载力研究中发现：异形柱的截面由于具有连接效应，实际的抗扭承载能力要比将他们划分为若干个矩形计算而得到的承载力之和要大，但是为了方便计算，把异形柱的截面划分为若干个矩形的计算方法是偏于安全的，是可行的。
苏幼坡和康谷贻[27,28]进行了 5 根 T 形柱纯扭构件的试验研究，还提出了将 T形截面纯扭构件分成翼缘和腹板两个矩形截面的计算模型，并且给出了 T 形截面构件的抗扭设计公式。在对钢筋混凝土异形柱的斜截面的抗扭承载力研究中发现：异形柱框架中梁—柱节点核心区的受剪承载力低于截面面积相等的矩形柱框架梁—柱节点的受剪承载力，属于钢筋混凝土异形柱框架的薄弱环节。在条件相同的情况下，节点水平截面面积相等的时候，等肢 L 形、T 形和十字形柱的节点受剪承载力比矩形柱节点分别降低 33%、18%和 8%左右，主要是因为节点核心区外伸翼缘面积在节点破坏时未充分发挥作用所致的[1]。轴向压力影响异形柱的节点承载力，当轴压比很低时起有利的作用；当其值很高时起不利的作用[29]。当梁的宽度大于腹板的宽度时，处于柱的腹板外的梁纵筋在节点处的锚固较差，应该适当的增加由腹板边缘算起的且伸向节点的水平锚固长度[30]。为了防止节点斜压破坏和主弯矩下混凝土的局压破坏，应控制负弯矩筋的配筋率，还应该保证负弯矩筋的相对弧度半径不应该过小[31]。
(4) 钢筋混凝土异形柱常温下抗震性能的研究
在对钢筋混凝土异形柱的抗震研究中，曹万林等[32]提出带有暗柱的异形柱，并对其抗震性能进行了试验研究。研究表明：带有暗柱的异形柱相比普通的异形柱，其抗震能力有较大的提高；带暗柱的异形柱由于在塑性铰区高度比较高，在破坏的过程中，暗柱有明显的钢筋混凝土核心束的力学特征。曹万林等[33,34]在此基础上，又提出了带有交叉筋的异形柱这一思路。研究表明：采用了带交叉钢筋或者带有暗柱的 T 形短柱都可以取得良好的抗震效果。曹万林等[35,36]对底部为矩形柱、上部为异形柱的框架做了有关抗震的试验研究，并对这类结构和单纯的异形柱框架结构进行了关于地震反应分析。分析表明：底部为矩形柱、上部为异形柱的框架结构相比纯的异形柱框架结构，其抗震性能良好，可以明显克服纯异形柱框架结构的底层薄弱现象。曹万林等[19]分析了影响异形柱框架层刚度的因素及其作用，提出了合理的确定异形柱框架层刚度的方法。刘进军等[37]结合实际的工程进行 9 层钢筋混凝土异形柱框架模型的振动台的试验。试验表明：在工程中异形柱的各柱肢的端部均应该设暗柱，其抗震性能比普通的混凝土异形柱有较大的提高。
高向宇等[38]把基础隔震的技术应用到了异形柱结构体系，进行了 5 层异形柱框架结构的地震模拟振动台的试验研究，经过试验和理论分析，结果表明：在这种轻型框架结构中使用基础隔震的技术，可大大减小结构的地震反应。
李晓轩和严世超[39]针对钢筋混凝土 T 形柱斜向支撑框架，进行了关于抗震的试验研究。试验结果表明：T 形柱斜向支撑框架结构可形成带有多道防线的抗震结构体系。
肖建庄等[40]对钢筋混凝土异形柱结构进行了分析，发现异形柱的腹板和翼缘共同工作来抵抗双向压弯作用；薄壁柱的力学模型是最适合异形柱的，异形截面的杆系结构模型次之，而忽略平面外刚度的墙元模型则会给计算带来不安全；在异形柱结构的梁柱重叠区域较大的时候应该考虑梁端的刚域效应；异形柱的结构在空间结构中是比较典型的，应采用基于空间工作的方法来进行分析；对异形柱的分析中，针对计算参数的选取，应该充分考虑到平移扭转耦联的影响和荷载的作用方向；在众多的通用程序中，应该尽量选择比较合理的计算模型、简图以及参数，并了解它们对异形柱结构的作用，进而保证设计和计算的安全性、准确性。
肖建庄等[40]以两榀异形柱的框架结构为研究对象，设计了两层半子结构的试验装置，采用低周反复的加载，分别在试验现象、破坏特征和变形特点等几个方面研究了此试验方法，发现此方法可以比较好的模拟多层结构的受力特点，值得广泛推广。
肖建庄等[41]进行了复合纤维抗震加固的异形柱框架的试验研究。研究表明：采用复合纤维抗震加固可以提高异形柱框架的水平承载能力和变形能力，但是在进入非弹性阶段后水平变形有增大的趋势。
胡国振、曹万林等[42-45]针对大开间异形柱框架进行了试验研究和理论分析，探讨了大开间异形柱框架强度、刚度破坏特征和弹性工作性能。研究发现：在大开间框架结构中采用异形柱是切实可行的，但是必须进行合理的设计，特别是对轴压比较大和剪跨比较小的异形柱，可以采用带有暗柱的异形柱和设置斜向支撑来提高异形柱的承载能力和抗震消耗能力。
王滋军等[46]对比例为 1：6 的 12 层的大开间钢筋混凝土异形柱框架结构模型进行了振动台试验。试验发现：高层的大开间钢筋混凝土异形柱框架体系呈明显的梁铰机构的破坏形态，并且在节点区域没有裂缝，此结构具有良好的抗震性能和较强的耗能能力。
杨玉成等[47]在振动台上对七层钢筋混凝土异形柱支撑框架结构体系的模型(缩尺比例为 1：3)进行了模拟地震的试验。结果表明：该体系的抗震性能良好；并且可以使斜杆在预测估计的地震强度的作用下先裂开然后继续工作，从而减轻对主体结构的地震破坏，进一步实现了抗裂抗倒的双重设防准则以及设计方法。
李杰和刘威[48,49]进行了异形柱填充墙框架体系、异形柱纯框架和异形柱框-桁架(其中有一跨设置了人字形支撑)的低周反复试验。结果表明：在设置了支撑后的异形柱纯框架结构，其承载力和抗侧刚度都有明显的提高，其延性性能基本保持不变；添加填充墙后的异形柱纯框架结构，不仅承载能力和抗侧刚度有很大的提高，其延性也有较大的改善。
陆新征，江见鲸[50]进行了异形柱框架结构和异形柱加斜向支撑后的结构空间受力分析。结果表明：异形柱框架加了人字形支撑之后，其抗扭承载力和抗扭刚度有了显著的提高；与此同时，延性也有所提高，明显提高了异形柱框架的抗震性能；并且建议在异形柱框架结构中，如果质心和刚心不一致，应该适当的采用斜向支撑来提高结构的抗扭能力。
曹万林等[51-53]提出了按两个阶段分析的底层带有支撑的异形柱框架的延性的有关概念，对于合理分配框架刚度和合理分配支撑以及合理控制两个阶段的延性系数的比值具有一定的意义。随后进行了底层带有支撑的异形柱框架的试验研究和理论分析。结果证实了此结构具有较好的抗震性能；并提出只要合理设计支撑，便可以使此体系基本满足 8 度的设防要求；对 10 种设置不同的底层支撑的异形柱框架体系利用 DRA IN-2D 程序，进行了非线性时程分析，在这个的基础上，结合已有的试验、理论研究以及建筑抗震设计规范，还提出了关于底层带有支撑的异形柱框架体系中底层支撑的设置原则和方法，可供抗震设计参考。
1.2.2钢筋混凝土异形柱高温下力学性能研究
屈立军和刘宝利[54]利用有限差分法计算了十字形钢筋混凝土柱的截面温度场，采用纤维模型法计算了该柱的高温承载力。结果表明：十字形的钢筋混凝土异形柱由于其截面形状特殊而不利于受火，其承载能力小于矩形柱。在此文献中，对于此柱的高温承载力的计算只是简单的使用了在常温下柱式构件的承载力的计算模型，并没有考虑在高温环境下混凝土材料的复杂性，只是简单的假设各个混凝土单元的应力同时达到了极限抗压强度，并没有区分高温下混凝土的应力-应变和总应变，由此而显得过于简化。
徐玉野、吴波[5]对 11 根钢筋混凝土异形柱和 1 根钢筋混凝土矩形柱在 ISO834标准升温过程进行了明火试验。该试验分析了不同的轴压比和受火方式在高温下对不同截面形状的异形柱的轴向变形、破坏形态和耐火极限的影响。并利用了VisualC++编制了钢筋混凝土异形柱在火灾下的全过程分析程序 RCSSCF，该程序有三种用于计算的数值方法：(1)基于虚梁法的数值分析方法；(2)基于变形假定的数值分析方法；(3)基于三维梁单元和三维热分析的实体单元的数值分析方法。此程序建议了在混凝土的卸载阶段映射温度的流动途径，和在高温下每一个增量步内钢筋和混凝土应力-应变点位置的确定方法，同时还考虑了轴力的二阶效应。并且利用研究内容中的试验结果和其他学者的矩形柱高温下的试验结果验证了该程序的有效性；利用分析程序 RCSSCF 中基于虚梁法的数值分析方法，考察了计算长度、截面尺寸、荷载角、配筋率、荷载偏心率、纵筋屈服强度、混凝土保护层厚度、混凝土强度和纵筋的极限强度等参数对在 ISO834 标准升温过程下的四面受火的钢筋混凝土异形柱的耐火极限的影响情况；在此基础上，确定了影响异形柱耐火极限的因素和影响规律；通过分析在高温下的异形柱截面的温度场、极限承载力、广义中性轴的位置、极强中心和 N-M 包络图及其特点，揭示了异形柱在高温下的受力特点；还建立了在高温下约束的钢筋混凝土的分析模型，研究了转动约束和轴向约束对异形柱耐火性能的影响。通过对大量的试验结果的整理分析，给出了具有较高精度且较为全面的钢筋混凝土异形柱耐火极限的实用计算方法。
陈书良对8根钢筋混凝土异形柱进行了高温下的试验研究(其中4根为T形柱，4 根为十字形柱)，并深入探讨了轴压比、轴向约束刚度比对异形柱耐火性能的影响。结果表明：轴向约束在高温下的存在有可能导致混凝土出现更为明显的混凝土脱落现象；在高温下由于轴向约束产生的最大附加轴力约等于在常温下各试件的 19%—62%；当轴向约束的刚度比相同时，最大附加轴力随着轴压比的减小而增大，且这一现象在轴向约束刚度比较大的时候更明显；当轴压比相同时，最大附加轴力随着轴向约束的增大而增大，且这一趋势在轴压比较小时更明显。
1.2.3钢骨混凝土异形柱常温下力学性能研究
钢骨混凝土结构(SRC)起源于 20 世纪的欧洲 ，是钢筋混凝土内含型钢的一种新型结构形式。由于混凝土和型钢共同作用，SRC 具有截面小、承载能力高、抗震性能好、施工方便的优点，因而在工程中得到广泛应用。近年来，国内各位学者对钢骨混凝土异形柱常温下的力学性能的研究也日益增多。
苏益生[55,56]对空腹式钢骨混凝土异形柱进行了试验研究，设计并制作了 4 根 T形、3 根 L 形柱，对其进行了正截面的承载能力的试验研究和理论分析，初步得出了 T 形和 L 形钢骨混凝土异形柱的破坏形态和承载能力规律；应用叠加法和数值分析积分的方法编写了钢骨混凝土异形柱正截面承载力的计算程序，并且计算结果与试验结果相吻合。
李哲[57,61]对空腹式的T形钢骨混凝土短柱进行了水平周期荷载下的试验研究。研究表明：空腹式钢骨混凝土短柱的抗震性能比钢筋混凝土异形柱有很大提高。
赵鸿铁[62,67]对型钢混凝土异形柱进行了基本力学行为和抗震性能的研究，共设计了 17 根试件(T 形、L 形和十字形)，配钢包括空腹式桁架、实腹式配钢和槽钢空腹桁架；加载方式采用的低周反复加载，T 形柱沿着翼缘、腹板和 45°方向加载，L 形和十字形沿着工程轴、沿 45°方向加载。此试验比较全面的研究了其正截面的承载力、粘结滑移、抗剪承载力、变形和抗震性能。
赵鸿铁、苏益生联合提出空腹式钢骨混凝土异形柱的概念，如图 1-2 所示，比较全面的提出了异形柱的各种截面形式，对钢骨混凝土异形柱有重大贡献。
聂建国[68,69]提出核心型钢混凝土结构体系(CSRC)，是核心钢管混凝土结构和型钢混凝土结构的发展，并且和短肢剪力墙、异形柱相结合，形成了核心型钢剪力墙结构、核心型钢异形柱结构，如图 1-3。
曹万林[70-72]结合北京财富中心一期的工程，设计并研究了外框柱为钢骨混凝土异形柱，如图 1-4，并对其抗震性能进行深入研究。研究发现：加入钢骨的钢筋混凝土异形柱，其延性和承载能力明显得到提高。
1.1研究的背景、意义和目的
1.1.1研究的背景
随着人们生活水平的提高，住房条件得到了很大的改善，人们在追求舒适的同时也愈发注重结构的美观和多样性。通常建筑物中的矩形截面柱在布置的时候会出现室内的棱角，不仅影响美观，而且减小了使用面积。在现如今的商品房时代，为了弥补矩形柱子的不足，满足人们的需求，也为了落实国家墙体改革政策，天津市从上世纪 70 年代就开始在住宅结构中运用异形柱框架结构体系。
起初，提出异形柱的基本构想是：采用以工业废料制作的、具有节能、节地、隔热、保温、环保、减轻自重等综合效益的墙体材料作为框架的填充墙，从而取代了烧制的黏土砖；与此同时，采用藏于墙内的柱子——异形柱来代替普通矩形柱子，改善室内空间效果的同时也提高了建筑布置的灵活性。自 1988 年起经历了三年三大步的可持续发展，逐步在天津及全国各省市住宅中推广了异形柱框架结构体系。在 1998 年，建设部发布《关于建设业进一步推广应用 10 项新技术的通知》里，提出了发展框架轻墙建筑体系，并且积极采用异形柱框架结构。1999 年国务院办公厅 72 号文件——《关于推进住宅产业现代化提高住宅质量若干意见的通知》的“加强新型结构技术的开发研究”专题中，将异形柱框架结构体系列为住宅建设的五种基本结构体系之一。同年，建设部国家发展计划委员会、科学技术部联合颁发《当前优先发展的新技术产业化重点领域指南》的“新型建筑体系”专题里，隐形框架轻型节能建筑体系被列为近期产业化的重点之一。随后，由天津大学土木工程系、天津新型建材建筑设计研究院完成的“大开间住宅钢筋混凝土异形柱框架结构技术”被建设部列为《1999 年科技成果重点推广项目》之一。2001 年，异形柱结构体系被列入国家“九五”重点科技攻关项目成果《小康住宅建筑结构体系技术指南》[1]。
在一些国家级住宅示范工程中，有很多采用异形柱结构的住宅，例如天津华苑碧华里、居华里等示范小区。目前，异形柱在国内建成的总量难以掌握准确数字，保守粗估已有 2000 万 m2左右，可见混凝土异形柱结构在国内已有了相当规模的应用。随着异形柱结构在全国各地的应用，需要有一定的工程技术标准来指导设计、施工、审查和监理。1995 年，广东最早推出此标准，但是并不全面；随后，1998 年天津则从异形柱构件的截面设计、构造到设计施工都做了全面规定，初步形成了异形柱结构技术规程的基本体系。
异形柱结构是以 L 形、T 形、十字形的异形截面柱代替了一般的框架柱竖向支撑构件而形成的结构。异形柱截面肢高一般不小于 500mm，各肢截面最小厚度在200~300mm 之间，截面肢高肢厚比(h/b)不大于 4。常见的异形柱有以下几种主要形式，见图 1-1，其中 L 形柱常用于角柱，T 形柱常用于边柱，十字形柱常用于中柱。包含异形柱的结构体系主要包括以下几种形式：异形柱框架结构、异形柱框架剪力墙结构、异形柱框—桁架结构和异形柱框架—筒体结构等。试验研究表明，与传统的矩形截面柱及砖混结构相比，异形柱框架结构体系具有下述优点：
(1) 提高了有效面积比。异形柱的肢宽与墙厚相等或者稍宽一些，所以没有矩形柱的柱角外露以占去面积的缺点，与一般框架结构相比，这种结构虽然造价会相应提高，但是却可将使用面积增加 5%~10%左右；又因为采用的轻质填充墙，与砖混结构相较，墙体减薄，可以增加 8%~10%的使用面积。
(2) 房间的使用质量提高。由于室内空间整齐，家具摆放容易，对于住户而言，使用起来就很方便。同时采用全框架结构，实现大开间住宅，因此可以获得较大空间，而且用户可以随心所欲的拆除或者移动轻质填充墙体，进而极大限度满足个性化要求，实现建筑多功能的特点。
(3) 异形柱结构体系很大程度上降低了结构自重。在刚度相同的情况下，通常异形柱的柱截面面积小于矩形柱的截面面积，使柱子的自重减轻。与此同时，对板梁等构件也专门考虑了减轻自重的措施，填充墙采用轻质材料，所以异形柱结构的自重能够降低到普通结构的 57%~60%左右。
根据几个实践设计项目材料的统计[2]，异形柱结构体系较矩形柱结构体系材料用量指标稍大一些，混凝土用量约增加 4%~6%，钢筋用量约增加 5%~9%。虽然异形柱结构的材料指标和工程造价比矩形柱结构稍高一些，但综合考虑到建筑使用功能的改善，受到住户和开发商的欢迎，仍具有其优越性。
异形柱虽具有许多优点，但与普通矩形柱子相比，异形柱的受火表面积比较大，因而型钢混凝土异形柱在火灾下的承载能力及力学性能日渐成为人们的研究对象。火灾在各种灾害中是最经常、最普遍的危害公众安全和阻碍社会发展的灾害之一，人类可以对火进行控制和利用，是文明进步的一个重要标志；火给人类带来光明、温暖和进步，但是失去控制的火会给人类带来灾难，所以人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史是相生相伴的。人类在使用火的同时，不断总结规律，尽可能的减少火灾对人类形成的危害。在古代，人们对火灾就总结出了“防为上，救次之，戒为下”的经验。随着社会的发展，在社会财富日益增多的同时，火灾发生的概率也急剧上升，危害性也越来越大。表 1-1 列出了近年来火灾主要事故案例。
火灾损失统计表明：发生次数最多、损失最为严重的当属火灾[3]。我国 70 年代火灾的平均损失不到 2.5 亿元，80 年代火灾的平均损失不到 3.2 亿元，进入 90年代后，火灾造成的财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡 2000 人左右。火灾有可能导致结构的倒塌，造成巨额的损失和灾难性的后果。如 1993 年 5 月 13 日江西省南昌市万寿宫商城一幢八层钢筋混凝土底框-砖混结构房屋在火灾中整体倒塌，倒塌面积达 12647m2，123 户居民、603 人、209 个集体和个体商业户受灾；1994 年 6 月 16 日广东省珠海市前山纺织城 A 座一厂房发生火灾，22 个小时以后厂房突然倒塌，造成 93 人死亡、156 人受伤，造成的直接经济损失 9500 万元；2001年 9 月 11 日的美国 9.11 事件，超高层建筑轰然倒塌，其伤亡人数过万；2003 年11 月 3 日湖南省衡阳珠晖区衡州的特大火灾，3 个多小时后，这幢 8 层的高楼突然倒塌，20 多名参加救援的消防队员被掩埋在废墟中殉职，16 人受伤。由此可见，对结构的耐火性能的研究是完全有必要的。
1.1.2研究意义
随着钢筋混凝土异形柱框架的推广，这类结构遭受火灾的可能性不断上升，进而使异形柱框架的耐火性能的研究凸显的格外重要。目前，国内外有关异形柱耐火方面的研究几乎还是只限于构件层次[4,5]，而型钢混凝土异形柱的耐火研究更是少之又少，因此，开展型钢混凝土异形柱的耐火性能研究，揭示其火灾下的力学行为是十分必要的。
实验证明，普通混凝土在高温 500℃作用后其抗压强度损失较为严重，只占其常温时抗压强度的 50%左右。钢筋混凝土异形柱在受火时，由于其截面的特点，受火面要比同面积的矩形截面要大，温度大于 500℃而损伤严重的区域也要大很多。研究得出：升温 180min 时，肢厚为 200mm，肢高为 500mm 的 L 形钢筋混凝土柱、T 形钢筋混凝土柱、十字形钢筋混凝土柱和 400mm×400mm 的方形钢筋混凝土柱的温度大于 500℃区域占全截面的面积比例分别为 78.7%、74.3%、67.6%和51.5%，可以看出钢筋混凝土异形柱截面在高温下损伤更为严重[5]。本文的研究填补了型钢混凝土异形柱耐火性能研究的空白，并且拓展了结构抗火的研究领域，所以本文的研究既有重要的理论意义，又有明确的工程应用前景。
1.2国内外研究现状
钢筋混凝土异形柱因其截面的不规则性与矩形柱有明显不同的截面特性及受力性能，近些年异形柱的研究主要集中在钢筋混凝土异形柱常温下力学性能的研究、钢筋混凝土异形柱高温下力学性能的研究、钢骨混凝土异形柱常温下力学性能的研究和钢骨混凝土柱高温下的研究。
1.2.1钢筋混凝土异形柱常温下力学性能研究
对于钢筋混凝土异形柱在常温下的力学性能的研究，国内外均有多年历史。各学者分别从钢筋混凝土异形柱正截面承载力、斜截面承载力、抗扭承载力和抗震性能等方面进行研究。国外对异形柱的研究主要有：1983 年印度著名学者L.Nramamurthy 和 T.A.Hafeez.Kham 对等肢和不等肢 L 形截面双向偏压柱进行理论分析以及试验研究。1985 年美国学者 M.Davister、1992 年土耳其学者 C.Dundar 和B.Sahin 分别对不规则双向偏压柱进行了理论研究[7]；1989 年—1992 年美国著名学者 Cheng-Tzu Thomas Hsu 对 L 形柱和 T 形双向偏压柱分别进行了全过程的分析[8]等。国内的研究成果主要有：
(1) 钢筋混凝土异形柱常温下正截面承载力研究
天津大学对 T 形、L 形和十字形钢筋混凝土异形柱进行了一系列的试验研究，由于其正截面承载力复杂，在大多数情况下均为不对称截面，所以截面为平截面外弯曲，即弯矩作用平面与弯矩平面不重合，也不与截面边缘平行。其位置伴随混凝土强度等级、截面尺寸、配筋、加载角等诸多因素的变化而变化，其中，加载角对截面承载力的影响较大[9]。破坏形态与矩形截面单向的压弯构件类似，也可以分为受压、受拉和界限破坏[10,11]。在外力的作用下，异形柱一般会发生双向弯曲，因此应该按双向偏压构件计算。
张杜、叶献国[12]对钢筋混凝土异形柱进行了全过程的非线性分析，发现异形柱截面双向压弯柱的截面曲率的延性随着轴压比的增大而减小，随着荷载角的变化而变化，而且差异较大。箍筋的间距对异形柱的延性影响比较大，减小箍筋的间距，会使其延性明显提高。
郭棣和吴敏哲[13]考虑到实际结构楼板平面内其刚度是无穷大的，L 形柱的柱顶会受到楼板的定向约束的作用，因此认为 L 形柱在真正模拟实际约束状态的拟静力试验中应该为单向偏压破坏。
田秀梅和史玉延[14]、张玉秋和陈云霞[15]、王依群等[16]、王丹[17]分别给出了异形柱正截面承载力的简化的计算方法。
吴敏哲[18]等对 L 形柱正截面受力性能进行了一系列的研究，指出 L 形柱是截面不对称的空间杆件，不能在两个主平面内分开考虑，在结构分析中无法用对称截面的矩形柱来等效，L 形截面柱扭转截面的中心轴平行于工程轴。
曹万林等[19]提出了考虑了在混凝土“应力-应变”关系下降段和纵筋锚固滑移影响下的钢筋混凝土异形柱非线性变形的计算方法，利用该方法计算的“M-j ”的曲线与试验的结果吻合的较好。
天津大学通过设计 11 根 T 形、6 根 L 形以及 8 根十字形钢筋混凝土双向受弯构件，并对其正截面的承载能力进行了试验研究和理论分析，讨论了双向受弯构件的正截面承载能力的影响因素和计算承载能力的方法，并且编写了用于配筋计算的电算程序，随后在试验研究和理论分析的基础上提出了简化的计算方法。另外，天津大学还对钢筋混凝土异形柱双向弯压柱延性性能、在单周、低周反复荷载作用下的框架柱的受剪性能、框架节点强度和双向拉弯的正截面承载能力等方面进行了研究。
中国建筑科学研究院进行了 18 根 L 形偏心受压柱的强度试验，并对其结果进行了统计和分析，给出了实用计算的公式，但是由于实验数据少，难免有局限性。
在 1992 年—1994 年间，河北工业大学[1]先后进行了 L 形、十字形和 T 形钢筋混凝土柱抗震性能的试验研究，在其压弯实验中，水平力的作用方向除了与异形柱工程轴的方向一致外，而且采用了与工程轴成 45°作用的水平力的加载方式，为进行不同方向水平地震作用下钢筋混凝土异形柱的抗震性能研究初步奠定了基础。
广东省的《广东混凝土异形柱设计规程》[1]在设计异形柱时，先将双向偏心弯矩近似化为作用在对称轴上的等量弯矩，以此计算异形柱的正面承载能力，然后查表计算。这是一种近似方法，并且使用的范围有限。规程里只列出了几种常用的截面类型以及混凝土强度等级下的计算图表，且只适用 L 形和 T 形截面，对其他截面不适用。
天津大学通过试验[1]得出了 T 形、L 形和十字形截面钢筋混凝土双向压弯构件正截面承载能力的变化规律，并且在此基础上根据平截面假定、混凝土和钢筋的本构模型和力的平衡条件，利用数值方法编制了关于双向异形压弯柱正截面承载力的计算程序——《大开间住宅钢筋混凝土异形柱框架结构技术规程》。通过对正截面承载力计算而得到的 N-M 相关曲线制成图表，利用图表查出配筋或进行计算，适用于等肢的异形柱截面，仍然没有对不等肢截面做出规定。鉴于数值积分方法计算正截面承载力较为麻烦，所以不少科研人员也相继提出了简化计算的方法。与此同时，很多科研人员针对当前工程设计软件在异形柱设计方面不完善，也考虑到广东和天津规程标准的不足，对原有的计算软件进行了改进，文献[1]采用有限元的数值积分开发了异形柱正截面配筋的计算软件，并且将其推广到不等肢的异形柱，使计算更简便，通用性更强。
(2) 钢筋混凝土异形柱常温下斜截面承载力研究
在对钢筋混凝土异形柱的斜截面承载力研究中发现：L 形、T 形和十字形柱在斜向水平荷载的作用下，利用其翼缘的有利作用，其受剪承载力的平面图形在各个象限呈现出外凸的梅花瓣的形状；如果在斜向的剪力作用下，按 Z、Y 两个方向分别满足配筋要求、并且不考虑垂直方向的翼缘作用时，异形柱的斜向承载力将满足要求[20,21]。
冯建平等[22]进行了 15 根 L 形钢筋混凝土柱的受剪试验，并根据试验的结果给出了适用于工程设计使用的 L 形钢筋混凝土柱受剪承载力的计算公式。
郑明星和唐家祥[23]采用有限元的方法分析了在水平剪力的作用下，柱由于其自身的附加扭转效应而产生的水平剪应力，分析表明：L 形柱在双向水平力的作用下扭转效应明显，内折角伴有明显的应力集中的现象。
唐古贻和龚长江[24]通过试验分析了斜向水平荷载、低周反复荷载和弯矩比对 L形和 T 形柱受剪性能的影响，并提出了斜截面受剪承载力计算公式。通过分析，认为 L 形柱由于截面非对称性会产生附加的扭矩，加速粘结破坏的发展，所以其受剪承载力比 T 形柱要小。
赵彤[24]等进行了 9 根高强混凝土 L 形柱的抗剪性能的试验，建议了这类构件的抗剪承载力的设计公式。
王丹等[25]等进行了 L 形、T 形和十字形柱的受剪承载力的试验研究，给出了可供实际使用的偏下限抗剪承载力公式。
吴建营、李杰[26]针对具有剪切破坏特征的异形柱的试验现象，提出了一种抗剪全过程分析计算的模型。在这个模型中，将异形柱的总变形分为两个部分——剪切变形和弯曲变形，并分别用软化桁架模型和截面网格模型进行计算，将计算得到的剪切变形和弯曲变形叠加即为构件的总变形；而软化桁架模型分析结果给出了构件抗剪强度及剪切应力的变化过程，由此可以得到构件的荷载—位移的全过程曲线。该模型的计算结果和试验结果吻合较好，由于弯曲变形的引入，该模型可以解决 L 形截面等不对称截面在低周反复荷载作用下滞回曲线显著不对称的一些问题。
(3) 钢筋混凝土异形柱常温下抗扭承载力研究
在对钢筋混凝土异形柱的斜截面的抗扭承载力研究中发现：异形柱的截面由于具有连接效应，实际的抗扭承载能力要比将他们划分为若干个矩形计算而得到的承载力之和要大，但是为了方便计算，把异形柱的截面划分为若干个矩形的计算方法是偏于安全的，是可行的。
苏幼坡和康谷贻[27,28]进行了 5 根 T 形柱纯扭构件的试验研究，还提出了将 T形截面纯扭构件分成翼缘和腹板两个矩形截面的计算模型，并且给出了 T 形截面构件的抗扭设计公式。在对钢筋混凝土异形柱的斜截面的抗扭承载力研究中发现：异形柱框架中梁—柱节点核心区的受剪承载力低于截面面积相等的矩形柱框架梁—柱节点的受剪承载力，属于钢筋混凝土异形柱框架的薄弱环节。在条件相同的情况下，节点水平截面面积相等的时候，等肢 L 形、T 形和十字形柱的节点受剪承载力比矩形柱节点分别降低 33%、18%和 8%左右，主要是因为节点核心区外伸翼缘面积在节点破坏时未充分发挥作用所致的[1]。轴向压力影响异形柱的节点承载力，当轴压比很低时起有利的作用；当其值很高时起不利的作用[29]。当梁的宽度大于腹板的宽度时，处于柱的腹板外的梁纵筋在节点处的锚固较差，应该适当的增加由腹板边缘算起的且伸向节点的水平锚固长度[30]。为了防止节点斜压破坏和主弯矩下混凝土的局压破坏，应控制负弯矩筋的配筋率，还应该保证负弯矩筋的相对弧度半径不应该过小[31]。
(4) 钢筋混凝土异形柱常温下抗震性能的研究
在对钢筋混凝土异形柱的抗震研究中，曹万林等[32]提出带有暗柱的异形柱，并对其抗震性能进行了试验研究。研究表明：带有暗柱的异形柱相比普通的异形柱，其抗震能力有较大的提高；带暗柱的异形柱由于在塑性铰区高度比较高，在破坏的过程中，暗柱有明显的钢筋混凝土核心束的力学特征。曹万林等[33,34]在此基础上，又提出了带有交叉筋的异形柱这一思路。研究表明：采用了带交叉钢筋或者带有暗柱的 T 形短柱都可以取得良好的抗震效果。曹万林等[35,36]对底部为矩形柱、上部为异形柱的框架做了有关抗震的试验研究，并对这类结构和单纯的异形柱框架结构进行了关于地震反应分析。分析表明：底部为矩形柱、上部为异形柱的框架结构相比纯的异形柱框架结构，其抗震性能良好，可以明显克服纯异形柱框架结构的底层薄弱现象。曹万林等[19]分析了影响异形柱框架层刚度的因素及其作用，提出了合理的确定异形柱框架层刚度的方法。刘进军等[37]结合实际的工程进行 9 层钢筋混凝土异形柱框架模型的振动台的试验。试验表明：在工程中异形柱的各柱肢的端部均应该设暗柱，其抗震性能比普通的混凝土异形柱有较大的提高。
高向宇等[38]把基础隔震的技术应用到了异形柱结构体系，进行了 5 层异形柱框架结构的地震模拟振动台的试验研究，经过试验和理论分析，结果表明：在这种轻型框架结构中使用基础隔震的技术，可大大减小结构的地震反应。
李晓轩和严世超[39]针对钢筋混凝土 T 形柱斜向支撑框架，进行了关于抗震的试验研究。试验结果表明：T 形柱斜向支撑框架结构可形成带有多道防线的抗震结构体系。
肖建庄等[40]对钢筋混凝土异形柱结构进行了分析，发现异形柱的腹板和翼缘共同工作来抵抗双向压弯作用；薄壁柱的力学模型是最适合异形柱的，异形截面的杆系结构模型次之，而忽略平面外刚度的墙元模型则会给计算带来不安全；在异形柱结构的梁柱重叠区域较大的时候应该考虑梁端的刚域效应；异形柱的结构在空间结构中是比较典型的，应采用基于空间工作的方法来进行分析；对异形柱的分析中，针对计算参数的选取，应该充分考虑到平移扭转耦联的影响和荷载的作用方向；在众多的通用程序中，应该尽量选择比较合理的计算模型、简图以及参数，并了解它们对异形柱结构的作用，进而保证设计和计算的安全性、准确性。
肖建庄等[40]以两榀异形柱的框架结构为研究对象，设计了两层半子结构的试验装置，采用低周反复的加载，分别在试验现象、破坏特征和变形特点等几个方面研究了此试验方法，发现此方法可以比较好的模拟多层结构的受力特点，值得广泛推广。
肖建庄等[41]进行了复合纤维抗震加固的异形柱框架的试验研究。研究表明：采用复合纤维抗震加固可以提高异形柱框架的水平承载能力和变形能力，但是在进入非弹性阶段后水平变形有增大的趋势。
胡国振、曹万林等[42-45]针对大开间异形柱框架进行了试验研究和理论分析，探讨了大开间异形柱框架强度、刚度破坏特征和弹性工作性能。研究发现：在大开间框架结构中采用异形柱是切实可行的，但是必须进行合理的设计，特别是对轴压比较大和剪跨比较小的异形柱，可以采用带有暗柱的异形柱和设置斜向支撑来提高异形柱的承载能力和抗震消耗能力。
王滋军等[46]对比例为 1：6 的 12 层的大开间钢筋混凝土异形柱框架结构模型进行了振动台试验。试验发现：高层的大开间钢筋混凝土异形柱框架体系呈明显的梁铰机构的破坏形态，并且在节点区域没有裂缝，此结构具有良好的抗震性能和较强的耗能能力。
杨玉成等[47]在振动台上对七层钢筋混凝土异形柱支撑框架结构体系的模型(缩尺比例为 1：3)进行了模拟地震的试验。结果表明：该体系的抗震性能良好；并且可以使斜杆在预测估计的地震强度的作用下先裂开然后继续工作，从而减轻对主体结构的地震破坏，进一步实现了抗裂抗倒的双重设防准则以及设计方法。
李杰和刘威[48,49]进行了异形柱填充墙框架体系、异形柱纯框架和异形柱框-桁架(其中有一跨设置了人字形支撑)的低周反复试验。结果表明：在设置了支撑后的异形柱纯框架结构，其承载力和抗侧刚度都有明显的提高，其延性性能基本保持不变；添加填充墙后的异形柱纯框架结构，不仅承载能力和抗侧刚度有很大的提高，其延性也有较大的改善。
陆新征，江见鲸[50]进行了异形柱框架结构和异形柱加斜向支撑后的结构空间受力分析。结果表明：异形柱框架加了人字形支撑之后，其抗扭承载力和抗扭刚度有了显著的提高；与此同时，延性也有所提高，明显提高了异形柱框架的抗震性能；并且建议在异形柱框架结构中，如果质心和刚心不一致，应该适当的采用斜向支撑来提高结构的抗扭能力。
曹万林等[51-53]提出了按两个阶段分析的底层带有支撑的异形柱框架的延性的有关概念，对于合理分配框架刚度和合理分配支撑以及合理控制两个阶段的延性系数的比值具有一定的意义。随后进行了底层带有支撑的异形柱框架的试验研究和理论分析。结果证实了此结构具有较好的抗震性能；并提出只要合理设计支撑，便可以使此体系基本满足 8 度的设防要求；对 10 种设置不同的底层支撑的异形柱框架体系利用 DRA IN-2D 程序，进行了非线性时程分析，在这个的基础上，结合已有的试验、理论研究以及建筑抗震设计规范，还提出了关于底层带有支撑的异形柱框架体系中底层支撑的设置原则和方法，可供抗震设计参考。
1.2.2钢筋混凝土异形柱高温下力学性能研究
屈立军和刘宝利[54]利用有限差分法计算了十字形钢筋混凝土柱的截面温度场，采用纤维模型法计算了该柱的高温承载力。结果表明：十字形的钢筋混凝土异形柱由于其截面形状特殊而不利于受火，其承载能力小于矩形柱。在此文献中，对于此柱的高温承载力的计算只是简单的使用了在常温下柱式构件的承载力的计算模型，并没有考虑在高温环境下混凝土材料的复杂性，只是简单的假设各个混凝土单元的应力同时达到了极限抗压强度，并没有区分高温下混凝土的应力-应变和总应变，由此而显得过于简化。
徐玉野、吴波[5]对 11 根钢筋混凝土异形柱和 1 根钢筋混凝土矩形柱在 ISO834标准升温过程进行了明火试验。该试验分析了不同的轴压比和受火方式在高温下对不同截面形状的异形柱的轴向变形、破坏形态和耐火极限的影响。并利用了VisualC++编制了钢筋混凝土异形柱在火灾下的全过程分析程序 RCSSCF，该程序有三种用于计算的数值方法：(1)基于虚梁法的数值分析方法；(2)基于变形假定的数值分析方法；(3)基于三维梁单元和三维热分析的实体单元的数值分析方法。此程序建议了在混凝土的卸载阶段映射温度的流动途径，和在高温下每一个增量步内钢筋和混凝土应力-应变点位置的确定方法，同时还考虑了轴力的二阶效应。并且利用研究内容中的试验结果和其他学者的矩形柱高温下的试验结果验证了该程序的有效性；利用分析程序 RCSSCF 中基于虚梁法的数值分析方法，考察了计算长度、截面尺寸、荷载角、配筋率、荷载偏心率、纵筋屈服强度、混凝土保护层厚度、混凝土强度和纵筋的极限强度等参数对在 ISO834 标准升温过程下的四面受火的钢筋混凝土异形柱的耐火极限的影响情况；在此基础上，确定了影响异形柱耐火极限的因素和影响规律；通过分析在高温下的异形柱截面的温度场、极限承载力、广义中性轴的位置、极强中心和 N-M 包络图及其特点，揭示了异形柱在高温下的受力特点；还建立了在高温下约束的钢筋混凝土的分析模型，研究了转动约束和轴向约束对异形柱耐火性能的影响。通过对大量的试验结果的整理分析，给出了具有较高精度且较为全面的钢筋混凝土异形柱耐火极限的实用计算方法。
陈书良对8根钢筋混凝土异形柱进行了高温下的试验研究(其中4根为T形柱，4 根为十字形柱)，并深入探讨了轴压比、轴向约束刚度比对异形柱耐火性能的影响。结果表明：轴向约束在高温下的存在有可能导致混凝土出现更为明显的混凝土脱落现象；在高温下由于轴向约束产生的最大附加轴力约等于在常温下各试件的 19%—62%；当轴向约束的刚度比相同时，最大附加轴力随着轴压比的减小而增大，且这一现象在轴向约束刚度比较大的时候更明显；当轴压比相同时，最大附加轴力随着轴向约束的增大而增大，且这一趋势在轴压比较小时更明显。
1.2.3钢骨混凝土异形柱常温下力学性能研究
钢骨混凝土结构(SRC)起源于 20 世纪的欧洲 ，是钢筋混凝土内含型钢的一种新型结构形式。由于混凝土和型钢共同作用，SRC 具有截面小、承载能力高、抗震性能好、施工方便的优点，因而在工程中得到广泛应用。近年来，国内各位学者对钢骨混凝土异形柱常温下的力学性能的研究也日益增多。
苏益生[55,56]对空腹式钢骨混凝土异形柱进行了试验研究，设计并制作了 4 根 T形、3 根 L 形柱，对其进行了正截面的承载能力的试验研究和理论分析，初步得出了 T 形和 L 形钢骨混凝土异形柱的破坏形态和承载能力规律；应用叠加法和数值分析积分的方法编写了钢骨混凝土异形柱正截面承载力的计算程序，并且计算结果与试验结果相吻合。
李哲[57,61]对空腹式的T形钢骨混凝土短柱进行了水平周期荷载下的试验研究。研究表明：空腹式钢骨混凝土短柱的抗震性能比钢筋混凝土异形柱有很大提高。
赵鸿铁[62,67]对型钢混凝土异形柱进行了基本力学行为和抗震性能的研究，共设计了 17 根试件(T 形、L 形和十字形)，配钢包括空腹式桁架、实腹式配钢和槽钢空腹桁架；加载方式采用的低周反复加载，T 形柱沿着翼缘、腹板和 45°方向加载，L 形和十字形沿着工程轴、沿 45°方向加载。此试验比较全面的研究了其正截面的承载力、粘结滑移、抗剪承载力、变形和抗震性能。
赵鸿铁、苏益生联合提出空腹式钢骨混凝土异形柱的概念，如图 1-2 所示，比较全面的提出了异形柱的各种截面形式，对钢骨混凝土异形柱有重大贡献。
聂建国[68,69]提出核心型钢混凝土结构体系(CSRC)，是核心钢管混凝土结构和型钢混凝土结构的发展，并且和短肢剪力墙、异形柱相结合，形成了核心型钢剪力墙结构、核心型钢异形柱结构，如图 1-3。
曹万林[70-72]结合北京财富中心一期的工程，设计并研究了外框柱为钢骨混凝土异形柱，如图 1-4，并对其抗震性能进行深入研究。研究发现：加入钢骨的钢筋混凝土异形柱，其延性和承载能力明显得到提高。
